廢鋁材制備明礬的實驗條件優化

冉鳳瓊 譚建紅 朱乾華 萬邦江

摘要：以廢舊鋁質易拉罐為原料，運用冷卻熱飽和溶液的方法，通過對強堿的選擇以及堿濃度、硫酸用量、溫度等因素對實驗結果的影響作了進一步的探究，確定了實驗室制備明礬晶體的較佳實驗條件。當實驗水浴溫度T=93℃，VKOH=80mL，cKOH=2mol/L和VH2SO4=62mL，cH2SO4=3mol/L時，制備的明礬晶型較好、產量較高。此方法顯著縮短了制備時間，提高了實驗成功率。

關鍵詞：廢鋁材；明礬制備；條件優化；實驗探究

文章編號：1005–6629（2016）6–0066–03 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

明礬又稱十二水合硫酸鋁鉀，是含有結晶水的硫酸鉀和硫酸鋁的復鹽。結晶學分析表明，明礬晶體屬于等軸晶系，對稱型為3L44L36L29PC，國際符號為m3m，常呈八面體單形出現，也可以八面體、菱形十二面體與立方體的聚形出現，外表規則而富有變化，色澤晶瑩透亮[1]。為了保證學生實驗的成功率，縮短實驗時間，本文采用“氫氧化鋁法”探究廢鋁材制備明礬的實驗條件，既有效地利用了廢棄資源、變廢為寶，又培養了學生的綠色環保意識，對于提高學生的綜合素質具有十分重要的意義。

1 實驗部分

1.1 主要實驗儀器與藥品

廢舊鋁質易拉罐、NaOH、KOH、K2SO4與H2SO4（化學純）、電子天平、抽濾裝置、水浴鍋、250mL燒杯、250mL錐形瓶、玻璃棒、pH試紙等

1.2 實驗原理

采用“氫氧化鋁法”制備明礬晶體主要涉及了以下四步操作：第一步，鋁的溶解；第二步，氫氧化鋁沉淀的生成；第三步，硫酸鋁溶液的形成；第四步，硫酸鋁鉀溶液的形成。其反應原理如下：

用砂紙將廢舊鋁質易拉罐內外表面均打磨光滑并剪成小片備用。稱取2.0g鋁片，置于250mL錐形瓶中，加入一定濃度和體積的強堿溶液，水浴加熱（設置水浴鍋溫度T=93℃），待反應完全后（不再有氫氣生成），趁熱減壓抽濾，收集濾液于250mL燒杯中。將濾液重新置于水浴鍋中，用3mol/L的H2SO4調節濾液pH至8～9 [此時不溶性白色絮凝狀Al（OH）3沉淀不再產生]后，減壓抽濾得到Al（OH）3沉淀，此時洗滌沉淀pH至6～7，將沉淀轉移至250mL的燒杯中，邊加熱邊滴入一定濃度和體積的H2SO4溶液。待沉淀全部溶解后加入一定量的固體K2SO4，將得到的飽和澄清溶液冷卻降溫直至晶體全部析出（一般需要2～3天）。觀察晶型，減壓抽濾，盡量抽干，獲得產品明礬晶體[KAl（SO4）2·12H2O]。用電子天平稱量所得明礬晶體的產量[2]（僅討論產量而不計算產率是因為所取易拉罐質量相等且能完全反應）。

2 結果與討論

2.1 氫氧化鉀和氫氧化鈉兩種藥品的選用對實驗效果的影響

通過控制變量法，確定相同強堿溶液濃度（2 mol/L的NaOH、KOH），用3 mol/L 或9 mo/L H2SO4溶液來溶解Al（OH）3沉淀，進行兩兩對照試驗，通過對強堿藥品的選擇考察不同強堿對明礬產量與晶型的影響。

由表1數據分析發現選用氫氧化鈉和氫氧化鉀兩種藥品對明礬產量并沒有明顯的影響，但是在此實驗中晶體形狀的好壞也是判斷的主要依據。在使用3mol/L硫酸溶解Al（OH）3沉淀時，使用氫氧化鈉與氫氧化鉀兩種方法得到的晶型并無較大區別，都較為聚集地形成了立方體和菱形十二面體。加試一組濃度為9mol/L的硫酸，用氫氧化鉀制得的明礬晶型更偏向八面體、菱形十二面體與立方體的聚形，而氫氧化鈉制得的晶體形狀更接近小顆粒且較為零散（見圖2）。又通過對明礬化學式的分析，若選用氫氧化鈉就算洗滌沉淀后，晶體中也可能存在較多Na+，對明礬的產量和晶型都帶來不必要的影響。最終選擇藥品KOH。

2.2 不同濃度H2SO4溶液對實驗效果的影響

取c=2mol/L，V=80mL KOH溶液，仍用3mol/L的H2SO4調節濾液pH至8～9 [此時不溶性白色絮凝狀Al（OH）3沉淀不再產生]，通過改變溶解Al（OH）3沉淀的硫酸濃度探究酸濃度對實驗結果的影響。

由表2可以看出在一定條件下，明礬晶體的產量隨著硫酸濃度的增大而逐漸減小。

雖然H2SO4濃度為1.5mol/L時產量最高，但所形成的晶體以1/2黃豆球狀顆粒大小鋪滿燒杯底部，沒有聚集成立方體和菱形十二面體，比較零散。造成這一現象可能是加入的低濃度硫酸較多，使得硫酸鋁鉀溶液呈較弱飽和狀態[3]。再加上從節約資源的角度考慮，應選擇c=3mol/L的硫酸更好。

2.3 不同濃度的KOH對實驗效果的影響

不同濃度的KOH對實驗的影響主要有兩個方面：一是影響鋁片溶解的速率，二是對最終形成晶體的影響[3]。取c=3mol/L H2SO4，80mL不同濃度KOH溶液，通過改變氫氧化鉀的濃度探究強堿濃度對實驗結果的影響。在2.2中已經討論當c=3mol/L H2SO4，c=2mol/L KOH時對實驗結果的影響，所以再設置一組c=3mol/L H2SO4，c=2mol/L KOH但不過濾、洗滌沉淀，探究不過濾、洗滌沉淀對實驗結果的影響。

由表3可以看出：當溫度一定且過濾、洗滌沉淀時，氫氧化鉀的濃度越高，溶解廢鋁片所花費的時間就越短，但總體相差還是不大；明礬晶體的產量隨著氫氧化鉀的濃度的增大先增大后減小，當c=2mol/L KOH時，產量最高。

當c=2mol/L左右的KOH時，反應形成的晶體晶型都較其他三種濃度下形成的晶型好。因為在c=1.5mol/L、c=2.5mol/L、c=3mol/L時，所得晶體都呈各種不同的不規則面體狀且氫氧化鉀的濃度越大，形成的晶體形狀越不規則也越小，所以應選擇c=2mol/L左右的KOH最好。

雖然KOH濃度都為2mol/L時，不過濾、洗滌沉淀組消耗的藥品試劑少，產量也高，可是晶型卻次于過濾洗滌沉淀組；除此之外不過濾、洗滌沉淀組得到的晶體產量高也可能是因為帶入的離子、雜質更多造成的。為了嚴謹起見，還是采用c= 2mol/L KOH，c=3mol/L H2SO4并過濾、洗滌沉淀Al（OH）3為最好。

2.4 不同溫度條件下對實驗的影響

通過2.1、2.2、2.3的探究，取80mL c=2mol/L的KOH和c=3mol/L H2SO4，通過在常溫與酒精燈加熱兩種條件下進行實驗，探究溫度對實驗結果的影響。

2.4.1 常溫條件下對實驗的影響

在常溫下進行反應時，鋁屑的溶解反應速率較緩慢，待鋁屑完全溶解時所需時間約為87min。因為Al（OH）3沉淀、K2SO4的溶解都與溫度有關，在溶解Al（OH）3沉淀時消耗的硫酸多，為了得到飽和的硫酸鋁鉀溶液從而導致需要的K2SO4量增多，最后能夠析出的晶體量少，晶型也不好。

2.4.2 酒精燈加熱條件下對實驗的影響

用酒精燈加熱溶解鋁屑時，反應速率較快，約16min時能反應完全。但是由于溫度不可控，反應劇烈，溶液會從250mL錐形瓶中溢出，Al（OH）3沉淀和K2SO4的溶解都會因溫度給實驗帶來一定影響。溶解鋁屑時會產生氫氣，若不能保證產生氫氣的濃度在4%～75%時，酒精燈加熱又會帶來安全隱患。

所以晶體的制備還是應在水浴鍋里加熱進行，不僅能控制反應進行速率和保證實驗安全，還能節省時間、資源，減少不必要的實驗誤差。

3 總結與存在的問題討論

以廢舊易拉罐為原料制備明礬晶體，通過控制變量法探討氫氧化鉀溶液濃度，硫酸溶液濃度、溫度等因素對明礬晶體產量及晶體形態等影響，尤其是氫氧化鉀濃度對產量及晶體形態影響最明顯。通過條件的逐一確定可得到制備明礬單晶較佳實驗條件：溶解2g廢制易拉罐，需要體積為80mL的2mol/L氫氧化鉀溶液并水浴加熱進行（設置水浴鍋溫度T=93℃）；溶解完全后通過減壓抽濾得到的濾液，需要體積約為42mL的3mol/L H2SO4調節pH至8～9，得到的白色絮狀物Al（OH）3沉淀在減壓抽濾時再調節pH至7左右；此時的Al（OH）3沉淀需滴加體積約為62mL 3mol/L H2SO4進行溶解，待完全溶解后加入7g左右的K2SO4（g），得到較為飽和的KAl（SO4）2澄清溶液。從晶體圖片可以看出所得晶體屬于等軸晶系，有玻璃光澤，符合明礬晶體外形。

本實驗中，明礬晶體的產量與晶型是判斷實驗優化條件的主要依據，而晶體的析出生長還與許多因素有關，如溶液的過飽和度、pH、環境相成分、溶劑和雜質等內在因素也會影響晶體的生長速度；渦流、溫度、雜質、粘度、結晶速度等外部因素又會影響晶體的生長形態[4]。除了這些不可控的影響因素會給實驗結果帶來誤差，還包括選擇的廢舊鋁制易拉罐中Mg、Zn等雜質含量；實驗過程中每一次減壓抽濾、轉移都存在不同程度的損失；在溶解硫酸鉀得到硫酸鋁鉀溶液時，很難使每組實驗的飽和度都達到一致，這樣可能會產生弱飽和、一般飽和與過飽和3種狀態，這種現象對實驗結果的影響也是顯著的。

參考文獻：

[1]石林權，沈忠悅.晶體的培養與表征實驗[J].教育教學論壇，2011，（32）：69～71.

[2]馬毓晨.回收鋁制備明礬晶體的實驗探究[J].中國科教創新導刊，2010，（6）：61.

[3]王丹，鮑正榮，李小燕，帥常文.快速制備明礬大晶體的條件探究[J].現代商貿工業，2007，（5）：205.

[4]陳雙莉，車金龍，白光輝.廢鋁制備明礬單晶[J].應用化工，2011，（6）：1052～1058.